工程碩士學(xué)位論文船用低速柴油機(jī)排氣閥閥桿與轉(zhuǎn)翼的幾何反求研究

1、 分類號(hào)： tp391 學(xué)校代號(hào)：10150udc： 密級(jí)： 學(xué) 號(hào)：g2006025工程碩士學(xué)位論文船用低速柴油機(jī)排氣閥閥桿與轉(zhuǎn)翼的幾何反求研究reverse engineering based geometry model for exhaust valve bar and vane wheel in marine diesel engine學(xué)生姓名：校內(nèi)導(dǎo)師及職稱：企業(yè)導(dǎo)師及職稱：工 程 領(lǐng) 域：機(jī)械工程研究方向：反求工程申請(qǐng)學(xué)位：工程碩士論文答辯日期：2010年06月04日學(xué)位授予單位：大連交通大學(xué)摘 要隨著現(xiàn)代市場(chǎng)競爭的日益激烈，如何縮短產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間、降低研究經(jīng)費(fèi)已成為現(xiàn)代企業(yè)研究

2、的一個(gè)熱點(diǎn)。在工業(yè)領(lǐng)域中，反求工程受到越來越多的重視，并且得到了廣泛應(yīng)用。反求工程是目前cad/cam領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)之一，曲面重建是反求工程的關(guān)鍵技術(shù)。基于反求工程的曲面造型是近幾年來發(fā)展起來的，是以吸收、消化和提高先進(jìn)技術(shù)的一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合。為了縮短排氣閥閥桿和轉(zhuǎn)翼技術(shù)與世界先進(jìn)技術(shù)的差距，我們利用三維坐標(biāo)機(jī)采集數(shù)據(jù)，并應(yīng)用軟件對(duì)排氣閥閥桿與轉(zhuǎn)翼進(jìn)行逆向建模，及對(duì)曲面的反求設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入的研究和探討。通過分析各個(gè)零件的結(jié)構(gòu)特征，選擇坐標(biāo)測(cè)量機(jī)輪廓掃描法和定位測(cè)量法相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集規(guī)劃方案；在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)上，運(yùn)用直觀檢查法及imageware軟件去除噪聲點(diǎn)的功能；采用弧偏

3、差法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡，按最近點(diǎn)排序方法生成截面線點(diǎn)云之間的拓?fù)潢P(guān)系。本文重點(diǎn)研究了基于特征與約束的pro/e模型重建方法，介紹了pro/e軟件的主要逆向模塊pro/scantools,并以pro/engineer wildfire3.0為平臺(tái)，提出了利用pro/scantools進(jìn)行曲面重構(gòu)的方法。以數(shù)據(jù)點(diǎn)云為依據(jù)，結(jié)合正向設(shè)計(jì)進(jìn)行逆向推理的方法還原特征與約束；通過特征的實(shí)體模型重建方法，利用布爾運(yùn)算實(shí)現(xiàn)模型重建。為了能對(duì)所建立的模型進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，研究了各種誤差產(chǎn)生的原因及對(duì)反求模型的影響；提出了評(píng)價(jià)反求模型精度的指標(biāo)和基于曲率的曲面品質(zhì)分析方法，通過有效的誤差控制使閥桿與轉(zhuǎn)翼重建模型精度達(dá)

4、到要求。關(guān)鍵詞：排氣閥閥桿；轉(zhuǎn)翼；數(shù)據(jù)處理；模型重建；反求工程abstractwith increasing competition in the market, how to reduce the development time and cost of products has become a research hotspot in the modern enterprise. in the industrial field, reverse engineering is paid attention more and more, and has been used widely. re

5、verse engineering is one of the most research hotspots in cad/cam fields, and one of the key technologies of which is surface reconstruction. based on reverse engineering，surface modeling is to absorb, digest and improve the range of analysis methods and application of technology results. in order t

6、o shorten the gap of the exhaust valve bar and vane wheel technology with the worlds advanced technology, we collect data with coordinate measuring machine, and model the exhaust valve bar and vane wheel with application software, and conduct the in-depth study and exploration on the surface key tec

7、hnologies of reverse design.by analyzing the structural characteristics of the components, we choose the data collection planning program that is the method combination of contour scanning and location with coordinate measuring machine. meanwhile, about data processing, we adopted visual inspection

8、and the function of imageware to remove noise points. in addition, to shorten the point cloud data use arc-deviation method, the nearest point sorted by section line generated topological relations between point clouds.the paper mainly studies the model reconstruction method on basis of the feature

9、and restraint in pro/e. pro/engineer wildfire3.0 is taken as software platform. the major reverse model is constructed by pro/scatools of pro/e. based on data point clouds, restore the characteristics and constraints of the components adopted backward reasoning with forward design methods. and throu

10、gh the characteristics of solid model reconstruction, model reconstruction is achieved by boolean operations.in order to established the accuracy evaluation of models, the paper research a variety of error causes and effects of anti-seeking models, and proposed model to evaluate the accuracy of reve

11、rse curvature of the surface targets and based on the quality of analytical methods, through effective error control to bar and of the reconstruction model accuracy meet the requirements.key words: exhaust valve bar; vane wheel; data processing; model construction; reverse engineering目 錄摘 要iabstract

12、ii第一章 緒論11.1 國內(nèi)外排氣閥技術(shù)研究和發(fā)展現(xiàn)狀11.2反求工程的研究背景31.2.1反求工程的含義31.2.2反求工程與技術(shù)引進(jìn)51.2.3反求工程的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)71.3 課題的意義9本章小結(jié)9第二章 零件數(shù)據(jù)獲取數(shù)字化技術(shù)研究102.1 樣件分析102.2 數(shù)據(jù)獲取方法概述112.2.1接觸式數(shù)據(jù)采集法122.2.2非接觸式數(shù)據(jù)采集方法132.2.3 樣件測(cè)量方法的選擇152.3反求工程的技術(shù)平臺(tái)152.3.1三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)簡介152.3.2本課題需要軟件簡介162.3.3測(cè)量路徑的規(guī)劃172.4樣件數(shù)據(jù)采集182.4.1數(shù)據(jù)采集規(guī)劃的基本原則192.4.2規(guī)則曲面和自由曲面數(shù)

13、據(jù)采集202.4.3排氣閥桿及轉(zhuǎn)翼樣件的數(shù)據(jù)采集22本章小結(jié)22第三章 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理233.1刪除散亂點(diǎn)云噪聲數(shù)據(jù)233.2多視數(shù)據(jù)的對(duì)齊253.2.1多視數(shù)據(jù)的對(duì)齊方法263.2.2基于三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)齊273.3數(shù)據(jù)精簡與排序293.3.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡293.3.2數(shù)據(jù)排序303.4不同坐標(biāo)點(diǎn)云的歸一化313.5半徑補(bǔ)償313.6點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊333.6.1 基于邊的方法333.6.2 基于面的方法34本章小結(jié)34第四章 基于pro/e的特征模型重建354.1 pro/engineer軟件簡介354.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換及導(dǎo)入364.3 基于特征和約束的實(shí)體模型重建374.3.1基于特征和

14、約束的建模優(yōu)點(diǎn)374.3.2 特征的定義、分類與表達(dá)374.3.3反求工程中約束的定義、分類與表達(dá)414.4基于特征及約束的實(shí)體模型重建424.4.1基于約束的輪廓重建444.4.2基于特征的實(shí)體模型重建46本章小結(jié)49第五章 重建模型精度評(píng)價(jià)505.1反求工程的誤差分析505.1.1誤差類型分析505.1.2零件曲面的誤差分析525.2 重構(gòu)模型精度評(píng)價(jià)535.2.1 精度評(píng)價(jià)指標(biāo)535.2.2 曲面品質(zhì)分析方法53本章小結(jié)55結(jié) 論56參考文獻(xiàn)58攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文60致 謝61第一章 緒論排氣閥是船用低速柴油機(jī)配合機(jī)構(gòu)中的重要部件，通過定時(shí)地打開或關(guān)閉排氣閥，以保證汽缸里的廢

15、氣的排除和新鮮空氣的充入。在高增壓柴油機(jī)上，排氣閥的工作條件十分惡劣，氣閥底面與高溫燃燒產(chǎn)物直接接觸，在氣閥開啟期間還承受著高溫（9001000c）和具有腐蝕性氣體的高速?zèng)_刷，在閥盤與閥桿過渡圓弧中段，溫度也有600700c，除受到高溫廢氣的沖刷與腐蝕外，氣閥和閥座還受高壓燃?xì)馔蛔兊臋C(jī)械負(fù)荷作用，氣閥在關(guān)閉時(shí)與閥座產(chǎn)生撞擊和磨損，此外，氣閥閥桿與導(dǎo)套相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磨損1。為此，氣閥材料應(yīng)該具有足夠的高溫強(qiáng)度和熱硬性；具有較高的耐磨性與抗沖擊性；具有良好的高溫抗氧化性與導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)2。氣閥漏氣和氣閥間隙異常是最常見的兩種故障，其后果是破壞燃燒室的密封性，改變氣閥定時(shí)開關(guān)，影響氣缸換

16、氣質(zhì)量，導(dǎo)致燃燒惡化，排氣溫度上升和功率下降3。如果是在航運(yùn)過程中發(fā)生了排氣閥的損壞，那么所在閥的缸就會(huì)被迫停止，直到等待主機(jī)制造商、船廠、船東以及專利公司各部門相互協(xié)調(diào)，研究對(duì)策，或者進(jìn)行維修，或者重新訂購排氣閥。這其中涉及到的各項(xiàng)對(duì)外費(fèi)用是極其龐大的，而且還不包括船機(jī)保養(yǎng)和船舶泊位的支出費(fèi)用。1.1 國內(nèi)外排氣閥技術(shù)研究和發(fā)展現(xiàn)狀排氣閥殼體采用鑄鐵材料，筋板支撐雙層冷卻結(jié)構(gòu)。排氣閥殼體的中心孔裝有閥桿導(dǎo)套。掃氣側(cè)有流線型的排氣孔，使排氣更加順暢。排氣閥殼體用法蘭和螺塞封閉，組成冷卻水腔。排氣閥采用液壓開啟，空氣彈簧關(guān)閉的開啟系統(tǒng)。排氣閥桿與閥座的閥口焊有耐高溫合金耐磨層4。閥桿上烘裝有六片

17、導(dǎo)流轉(zhuǎn)翼，工作燃燒后排出的廢氣吹動(dòng)轉(zhuǎn)翼，使閥桿產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，這樣更有利于閥桿、閥座相互間閥口的磨合。如果閥桿始終停留在一個(gè)位置上，則開啟關(guān)閉時(shí)閥桿與閥座受熱不均勻，勢(shì)必會(huì)造成高溫燃燒后的氣體燒蝕閥口，使閥桿與閥座不能形成良好的吻合和錐面的環(huán)線接觸，使閥口斷線而漏氣。工作的時(shí)間越長對(duì)閥桿、閥座的損傷越大，損傷燒蝕嚴(yán)重時(shí)必須更換閥桿和閥座5。對(duì)排氣閥一般要求是：采用較好的材料；保證氣閥良好的散熱和均勻的冷卻；結(jié)構(gòu)上應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度要求，同時(shí)重量盡可能地輕，氣流流阻小。在柴油機(jī)的工作過程中，每完成一個(gè)工作循環(huán)都必須經(jīng)歷從排氣過程，掃氣過程到進(jìn)氣終止的整個(gè)氣體更換過程，被稱為換氣過程6。換氣過程進(jìn)行得好壞

18、是以廢氣排除干凈與否和新鮮空氣的消耗量為標(biāo)志。同一機(jī)型、同一流量分組的排氣閥及其主要零部件，均應(yīng)具有互換性，根據(jù)各柴油機(jī)機(jī)型不同，比如man b&w柴油機(jī)就有5缸、6缸、7缸機(jī)型，甚至還有12缸的，其排氣閥個(gè)數(shù)當(dāng)然也是相當(dāng)?shù)?。作為柴油機(jī)上的重要運(yùn)動(dòng)件之一，排氣閥質(zhì)量的好壞直接影響到柴油機(jī)的性能和使用壽命。因?yàn)榇貌裼蜋C(jī)的價(jià)格相對(duì)昂貴，而且閥桿是作為柴油機(jī)零件制造中的一級(jí)控制地位，所以各缸相應(yīng)的排氣閥質(zhì)量要求也是非常高，往往都是需要專利公司授權(quán)并經(jīng)過專利公司認(rèn)證的產(chǎn)品才可以進(jìn)行船用柴油機(jī)的制造與裝配。低速柴油機(jī)上的排氣閥具有其特殊性，雖然閥桿本身形狀并不很復(fù)雜，但其材料在熱處理過程中涉及到的溫控

19、、元素添加量、元素添加時(shí)間以及后續(xù)調(diào)質(zhì)階段的掌握，現(xiàn)在仍然屬于國外核心技術(shù)。以丹麥man b&w柴油機(jī)公司研制出了以耐用硬面堆焊合金為基礎(chǔ)的新型柴油機(jī)排氣閥為例，該排氣閥采用了新穎的硬面焊接、旋轉(zhuǎn)加熱技術(shù)，來防止吹蝕引起的臨界缺口和燃燒過程引起的閥座裂紋。排氣閥部分零件是國產(chǎn)的，部分是進(jìn)口的，其中以閥桿材料最為特殊，目前主要是從日本、韓國、丹麥等國進(jìn)口。自從上個(gè)世紀(jì)60、70年代以來，世界上大多數(shù)企業(yè)都采用排氣閥閥面堆焊合金，來提高排氣閥的使用壽命。但無論是哪一種堆焊工藝，都難免存在各種不同程度的缺陷，如：氣孔、疏松、夾渣、金相組織呈枝晶狀分布、晶粒粗大、硬度不高等等。為解決這一難題，上海遠(yuǎn)通

20、船舶設(shè)備配件有限公司從2003年開始，對(duì)排氣閥合金面進(jìn)行全面研究，采取了多種堆焊工藝，對(duì)各種牌號(hào)焊材，經(jīng)過上百次的反復(fù)比較試驗(yàn)，創(chuàng)造一種“柴油機(jī)排氣閥真空熔焊與硬化處理新工藝”歷時(shí)三年，終于有了重大突破。 根據(jù)滬東重機(jī)提供的man b&w公司針對(duì)低速柴油機(jī)排氣閥最新技術(shù)文件，各項(xiàng)指標(biāo)已達(dá)到man b&w公司認(rèn)可。低速機(jī)氣閥采用此工藝生產(chǎn)的低速機(jī)排氣閥，使用壽命超過nimonic80材料氣閥，正常使用壽命超過5萬小時(shí)。目前已交滬東重機(jī)小批量投入生產(chǎn)使用。上海遠(yuǎn)通公司創(chuàng)造的真空熔焊與硬化處理新工藝，在不改變?nèi)魏尾牧系那疤嵯拢艢忾y閥面合金層的硬度達(dá)到60.6 hrc，金相組織達(dá)12級(jí)以上。其性能優(yōu)

21、異，呈現(xiàn)六大優(yōu)點(diǎn)：1）氣閥母材不變，可根據(jù)需要采用各種馬氏體與奧氏體耐熱不銹鋼。2）堆焊合金材料不限，可采用鎳基、鈷基、鐵基等。3）消除原堆焊工藝長期存在的氣孔疏松、夾渣等。4）改變了合金層金相組織，由長條樹枝晶組織的共晶碳化物，改變?yōu)榫W(wǎng)狀均勻分布的共晶碳化物；晶粒度達(dá)12級(jí)，可大幅度提高焊層合金硬度。5）硬度可根據(jù)使用需要，可從hrc50-60之間隨意調(diào)整，可控制在hrc以內(nèi)。6）新工藝制造的氣閥成本與nimonic80a材料氣閥相比，在其1/3以下。上海機(jī)械工業(yè)材料質(zhì)量中心檢測(cè)結(jié)果表明，該項(xiàng)新工藝采用真空熔焊與高溫硬化相結(jié)合，效果非常明顯，在不改變?nèi)魏尾牧系那疤嵯?，合金層的缺陷消除?.2

22、反求工程的研究背景反求工程(reverse engineering)作為一項(xiàng)新的先進(jìn)制造技術(shù)被提出是在上世紀(jì)八十年代末至九十年代初。當(dāng)時(shí)首先由美國汽車龍頭福特汽車公司倡導(dǎo)的汽車“2毫米工程”對(duì)傳統(tǒng)的制造業(yè)提出了前所未有的挑戰(zhàn)。它要求將質(zhì)量控制從最終產(chǎn)品的檢驗(yàn)和檢測(cè)，提前到產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)階段。這樣一來可以大大減小開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，降低開發(fā)成本，加快產(chǎn)品成功開發(fā)的周期。于是在九十年代初，世界范圍內(nèi)掀起了所謂“先進(jìn)制造技術(shù)及設(shè)備”的研究、開發(fā)熱潮。 實(shí)際上，任何產(chǎn)品問世，包括創(chuàng)新、改進(jìn)和仿制的，都蘊(yùn)含著對(duì)已有科學(xué)、技術(shù)的繼承和應(yīng)用借鑒。因而反求思維在工程中的應(yīng)用已源遠(yuǎn)流長，而提出這種術(shù)語并作為一門學(xué)問去研究

23、，則是60年代初出現(xiàn)的。市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)競爭機(jī)制已滲透到各個(gè)領(lǐng)域，如何發(fā)展科技和經(jīng)濟(jì)，世界各國都在研究對(duì)策。從共性特征可概括為4個(gè)方面對(duì)策：1）大力提倡創(chuàng)造性。包括新的思維方式、新原理、新理論、新方案、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)、新材料、新工藝、新儀器等等。對(duì)于發(fā)展一個(gè)國家的國民經(jīng)濟(jì)來說，創(chuàng)造性是永恒主題。2）研究和應(yīng)用新的設(shè)計(jì)理論、方法去改造和完善傳統(tǒng)的方法，使能既快又好地設(shè)計(jì)出新型產(chǎn)品。3）把計(jì)算機(jī)應(yīng)用廣泛地引入產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)的全過程(預(yù)測(cè)、決策、管理、設(shè)計(jì)制造、試驗(yàn)、銷售服務(wù)等)中，以期達(dá)到這些過程的一體化、智能化和自動(dòng)化。4）研究和應(yīng)用反求工程，使能在高的起點(diǎn)去創(chuàng)造新產(chǎn)品。數(shù)字化方法與技術(shù)實(shí)物零件的數(shù)字化

24、是通過特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法獲取零件表面離散點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。只有獲得了樣件的表面三維信息，才能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的建模、評(píng)價(jià)、改進(jìn)、制造。 1.2.1反求工程的含義 在瞬息萬變的產(chǎn)品市場(chǎng)中，能否快速地生產(chǎn)出合乎市場(chǎng)要求的產(chǎn)品就成為企業(yè)成敗的關(guān)鍵。由于各種原因我們都會(huì)遇到只有一個(gè)實(shí)物樣品或手工模型，沒有圖紙或cad數(shù)據(jù)檔案，沒法得到準(zhǔn)確的尺寸，這就為我們?cè)诤罄m(xù)的工作中采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段和先進(jìn)的制造技術(shù)帶來了很大的障礙，制造模具也就更為煩雜。但是反求工程技術(shù)很好的解決了這一問題。反求工程起源于精密測(cè)量和質(zhì)量檢驗(yàn)，它是設(shè)計(jì)上游向設(shè)計(jì)下游反饋信息的回路7。傳統(tǒng)的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)通常是從概念設(shè)計(jì)到圖樣，再制造出產(chǎn)品，

25、我們稱之為正向工程（或順向工程），而產(chǎn)品的逆向工程是根據(jù)零件（或原型）生成圖樣，再制造出產(chǎn)品。它是一種以先進(jìn)產(chǎn)品設(shè)備的實(shí)物、樣件、軟件（包括圖樣、程序、技術(shù)文件等）或影像（圖像、照片等）作為研究對(duì)象，應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)生產(chǎn)工程學(xué)、材料學(xué)和有關(guān)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究、探索掌握其關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而開發(fā)出同類的更為先進(jìn)的產(chǎn)品技術(shù)，是針對(duì)消化吸收先進(jìn)技術(shù)采取的一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合。產(chǎn)品的反求工程是從一個(gè)存在的零件或原型入手，首先對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化處理，獲得實(shí)物數(shù)字化模型，然后構(gòu)造cad模型，再對(duì)其進(jìn)行分析、修改、檢驗(yàn)和制造。在制造領(lǐng)域，反求工程的過程是:首先測(cè)量一個(gè)已存在的零件或原型，得到它的測(cè)

26、量數(shù)據(jù)，然后重構(gòu)其cad模型。這個(gè)cad 模型描述了原始物體的幾何特征和其他的一些特性，并且可以用于許多其他的用途，例如分析、修改、制造和測(cè)試等。傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)與反求工程主要差別在于，前者是從高級(jí)抽象概念到設(shè)計(jì)的明晰的物理執(zhí)行過程；而后者是通過調(diào)整和修改特征參數(shù)形成物體模型的推理過程。圖1.1是正向設(shè)計(jì)與反求工程設(shè)計(jì)流程的對(duì)比框圖。(a) 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程 b）反求設(shè)計(jì)過程圖1.1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程和反求設(shè)計(jì)過程對(duì)比the comparison between traditional designing and reverse designing 反求工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)

27、品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（包括設(shè)計(jì)圖紙或數(shù)字模型）的過程，從這個(gè)意義上說，反求工程在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用已經(jīng)很久了。早期的船舶工業(yè)中常用的船體放樣設(shè)計(jì)就是反求工程的很好實(shí)例。產(chǎn)品反求工程的一般工作流程，如圖1.2所示。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，特別是數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于測(cè)量數(shù)據(jù)的產(chǎn)品造型技術(shù)成為反求工程技術(shù)關(guān)注的主要對(duì)象。因此，反求工程技術(shù)可以認(rèn)為是將產(chǎn)品樣件轉(zhuǎn)化為三維模型的相關(guān)數(shù)字化技術(shù)和幾何建模技術(shù)的總稱。為了適應(yīng)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，需要經(jīng)過一定途徑將實(shí)物樣件?；癁閏ad模型，以期利用計(jì)算機(jī)輔助制造（computer aided manufacture， cam）快速原型制造和快速模具（

28、rapid prototyping manufacture/rapid tooling, rpm/rt）產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（product data management, pdm）及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（computer integrate manufacture system, cims）等先進(jìn)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理或管理。目前，這種從實(shí)物樣件獲取產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型并制造得到新產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)，已成為cad/cam系統(tǒng)中的一個(gè)研究及應(yīng)用熱點(diǎn)，并發(fā)展成為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的領(lǐng)域。在這一意義下，反求工程可定義為：針對(duì)已有物體的參照設(shè)計(jì)，通過對(duì)實(shí)物的測(cè)量，構(gòu)造物體的幾何模型，進(jìn)而用于產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)和制造。是將實(shí)物轉(zhuǎn)變?yōu)閏a

29、d模型相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱8。反求工程系統(tǒng)作為消化吸收先進(jìn)技術(shù)和縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)周期的重要支撐技術(shù)，專門為制造業(yè)提供了一個(gè)全新、高效的三維制造路線，并給出一個(gè)一體化的解決方案：從樣品數(shù)據(jù)產(chǎn)品。從樣品（實(shí)物，圖片等）直接反求出cad數(shù)據(jù)，然后用快速成型或cnc數(shù)控直接加工出產(chǎn)品（模具）。因此反求工程就是對(duì)已有“物化”產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)，現(xiàn)已成為制造業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)9。 產(chǎn)品原型 功能測(cè)試 功能、原理分析 分解、數(shù)據(jù)測(cè)量 繪制草圖 確定尺寸及精度 繪制工程零件圖 工藝分析審 核反求產(chǎn)品的技術(shù)評(píng)價(jià) 產(chǎn)品試制 試驗(yàn) 替代產(chǎn)品三 維 重 構(gòu)繪制裝配圖設(shè)計(jì)思想反求精度反求材料技術(shù)條

30、件反求圖1.2反求工程的工作流程fig.1.2 work flow of reverse engineering1.2.2反求工程與技術(shù)引進(jìn)市場(chǎng)全球化使國家、企業(yè)面臨的競爭日趨激烈，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)競爭機(jī)制已滲透到各個(gè)領(lǐng)域，隨著科學(xué)技術(shù)的高度發(fā)展，科技成果的應(yīng)用已成為推動(dòng)生產(chǎn)力發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的重要手段。如何更快、更好地發(fā)展科技和經(jīng)濟(jì)，世界各國都在研究對(duì)策，充分利用別國的科技成就加以消化吸收與創(chuàng)新，進(jìn)而發(fā)展自己的技術(shù)已成為普遍的手段。反求工程技術(shù)為產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了方便的工具，在已有產(chǎn)品基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新產(chǎn)品，縮短開發(fā)周期，可以使企業(yè)適應(yīng)小批量的生產(chǎn)要求，從而使企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競爭中處于有利的地位。據(jù)有關(guān)統(tǒng)

31、計(jì)資料表明，各國百分之七十以上的技術(shù)都是來自外國，其中利用反求技術(shù)獲得的占40%，極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率10。如果說正向設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要解答“怎么做?”，即設(shè)計(jì)任務(wù)提出后，怎樣實(shí)現(xiàn)和達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，那么反求的關(guān)鍵要解答“為什么要這樣做?”，即已知目標(biāo)后，要探索和掌握這種目標(biāo)的設(shè)計(jì)者是如何一步一步實(shí)現(xiàn)的，反求別人腦袋里是怎樣想、怎樣做的，要摸清設(shè)計(jì)意圖、所用技術(shù)、關(guān)鍵和設(shè)計(jì)理論與方法。從這個(gè)意義上說，正向設(shè)計(jì)是主動(dòng)的創(chuàng)造，而反求是先被動(dòng)后主動(dòng)的創(chuàng)造，別有一番難度。故反求并非正設(shè)計(jì)的簡單逆過程，因?yàn)橐粋€(gè)先進(jìn)成熟的產(chǎn)品，凝集著設(shè)計(jì)者的智慧和技術(shù)，要去吃透、消化，包含很多復(fù)雜內(nèi)容。往往吃透別人的技術(shù)比自己創(chuàng)

32、造還難，這是因?yàn)椋?1)先進(jìn)產(chǎn)品中總有“絕招”、“訣竅”和關(guān)鍵技術(shù)，我們并不掌握；(2)別人的思維不會(huì)告訴你，要想“鉆進(jìn)別人腦袋里去挖出來”，要花艱苦勞動(dòng)。多年來我國測(cè)繪仿制的產(chǎn)品，大多數(shù)達(dá)不到原產(chǎn)品的水平，涉及原因、內(nèi)容和技術(shù)是多方面的，正說明發(fā)展反求工程的研究和應(yīng)用是多么重要。反求設(shè)計(jì)是對(duì)已有的產(chǎn)品或技術(shù)進(jìn)行分析研究，掌握其功能原理，零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)、材料、結(jié)構(gòu)、尺寸、關(guān)鍵技術(shù)等指標(biāo)，再根據(jù)現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法，對(duì)原產(chǎn)品進(jìn)行仿造設(shè)計(jì)，改進(jìn)設(shè)計(jì)或創(chuàng)新設(shè)計(jì)。反求設(shè)計(jì)是一個(gè)國家發(fā)展科學(xué)技術(shù)及提高工藝水平的一個(gè)重要手段。日本在引進(jìn)、消化、吸收方面做的尤為突出，其反求工程的應(yīng)用對(duì)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重大

33、的作用。反求設(shè)計(jì)一般分為三種情況:(1) 仿造設(shè)計(jì) 完全按照引進(jìn)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品與引進(jìn)產(chǎn)品基本相同。(2) 改進(jìn)設(shè)計(jì) 在對(duì)原產(chǎn)品分析研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行局部的改造性設(shè)計(jì)，其性能與特征基本和原產(chǎn)品相同，但局部性能有所改善。(3) 創(chuàng)新設(shè)計(jì) 以原產(chǎn)品為基礎(chǔ)，充分運(yùn)用創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思維與創(chuàng)新技法，設(shè)計(jì)、制造出優(yōu)于原產(chǎn)品的新產(chǎn)品，這是最好的一種反求設(shè)計(jì)。如日本的sony公司從美國引進(jìn)晶體管專利技術(shù)后，進(jìn)行反求創(chuàng)新設(shè)計(jì)，研制出了我們現(xiàn)在使用的晶體管收音機(jī)，日本的汽車、摩托車也是如此。這樣為日本成為世界經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國奠定了基礎(chǔ)。從概念設(shè)計(jì)出發(fā)到最終形成cad模型的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)確定的明晰過程，而通過

34、對(duì)現(xiàn)有零件原形數(shù)字化后再形成cad模型的反求工程是一個(gè)推理，逼近的過程。反求工程一般可分為四個(gè)階段11：(1)零件原形的數(shù)字化 根據(jù)測(cè)量對(duì)象的特點(diǎn)確定掃描方法以及掃描設(shè)備，通常采用cmm或激光掃描等測(cè)量裝置來獲取零件原形表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。(2)從測(cè)量數(shù)據(jù)中提取零件原形的幾何特征按測(cè)量數(shù)據(jù)的幾何屬性對(duì)其進(jìn)行分割，分割方法一般可分為兩類，一類是基于邊界分割法，一類是基于區(qū)域分割法。區(qū)域分割法將相似幾何特征的點(diǎn)劃為同一區(qū)域，具有明確的幾何意義，是較為常用的分割方法。采用幾何特征匹配與識(shí)別的方法來獲取零件原形所具有的設(shè)計(jì)與加工特征。(3)零件原形cad模型的重建 將分割后的三維數(shù)據(jù)在cad 系統(tǒng)中分

35、別做表面模型的擬合，并通過各表面片的求交與拼接獲取零件原形表面的cad模型。(4)重建cad模型的檢驗(yàn)與修正 由于測(cè)量得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)往往存在一些數(shù)字誤差，所以需要對(duì)曲面或曲線進(jìn)行光順處理，提高曲面質(zhì)量。采用根據(jù)獲得的cad 模型重新測(cè)量和加工出樣品的方法，來檢驗(yàn)重建的cad模型是否滿足精度或其它試驗(yàn)性能指標(biāo)的要求，對(duì)不滿足要求者重復(fù)以上過程，直至達(dá)到零件的設(shè)計(jì)要求。 1.2.3反求工程的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)在21世紀(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，企業(yè)產(chǎn)品的快速開發(fā)創(chuàng)新能力是決定其能否長期占領(lǐng)市場(chǎng)，在激烈的市場(chǎng)競爭中生存、發(fā)展的重要因素。由于反求工程設(shè)計(jì)方法通過抽取已有產(chǎn)品或設(shè)計(jì)方案的主要特征作為新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，

36、可使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工、制造的總周期盡可能地縮短。當(dāng)前利用反求工程在已有產(chǎn)品技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行再設(shè)計(jì)，從而提高新產(chǎn)品的性能已經(jīng)成為一條快捷設(shè)計(jì)理念。因此反求工程技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于加快我國科技進(jìn)步，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)有著重要的意義。作為近幾年發(fā)展起來的一種消化吸收原有產(chǎn)品技術(shù)、提高產(chǎn)品品質(zhì)、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法，在推行反求工程時(shí)，一定要明確反求工程決不是簡單的復(fù)制，其著眼點(diǎn)更強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新。反求工程技術(shù)是20世紀(jì)80年代初分別由美國3m公司、日本名古屋工業(yè)研究所以及美國uvp公司提出并研制開發(fā)成功的12。從20世紀(jì)90年代初開始為各國工業(yè)界和學(xué)術(shù)界所重視。自深圳市鑫磊實(shí)業(yè)有限公司于90年代末首先在國內(nèi)業(yè)界推出擁有

37、部分自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的反求工程專用三維激光線掃描機(jī)，便開啟了我國在反求工程技術(shù)領(lǐng)域的里程碑。在國內(nèi)，上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中理工大學(xué)、廣東省機(jī)械研究所、天津大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)都對(duì)反求工程技術(shù)進(jìn)行了研究。華中科技大學(xué)、天津大學(xué)、清華大學(xué)等眾多高校近年來也加強(qiáng)了對(duì)反求工程測(cè)量設(shè)備的研發(fā),現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，并廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、家用電器、醫(yī)療、輕工等行業(yè)中。國內(nèi)一些大企業(yè)如新飛、海爾、科龍等先后引進(jìn)了快速成型設(shè)備。隨著這一技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其應(yīng)用范圍將會(huì)不斷拓廣。目前，國外不同種類的re測(cè)量設(shè)備已進(jìn)入我國市場(chǎng)，如英國3d-scanner公司的激光掃描測(cè)量儀、美國“l(fā)aser design sur

38、veyor1200立體激光掃描系統(tǒng)、德國gom公司的atos測(cè)量儀等。這些測(cè)量設(shè)備功能較完善，但價(jià)格相當(dāng)昂貴。日本、美國等工業(yè)強(qiáng)國在反求工程方面的研究依然走在世界的前列，他們對(duì)反求工程技術(shù)的研究有許多值得我們借鑒的地方。國內(nèi)外的一些專家學(xué)者對(duì)于反求工程及形位誤差檢測(cè)的理論與實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了深入細(xì)致地探討，研究了測(cè)量過程中測(cè)點(diǎn)的自適應(yīng)分布、測(cè)量路徑的優(yōu)化；提出了基于點(diǎn)的icp算法，解決了反求工程中任意多視點(diǎn)云的拼合問題；提出了基于最小二乘法、牛頓迭代法和遺傳算法等來解決檢測(cè)問題中的采樣測(cè)量點(diǎn)與設(shè)計(jì)模型的匹配問題13；運(yùn)用微分幾何的活動(dòng)坐標(biāo)以及鄰近結(jié)構(gòu)理論，導(dǎo)出測(cè)量點(diǎn)到理想輪廓的統(tǒng)一形式的距離函數(shù)，

39、建立了復(fù)雜輪廓度誤差最小條件評(píng)定的模型14；根據(jù)曲面實(shí)物模型的點(diǎn)云，重建其幾何和拓?fù)湫畔?，并再現(xiàn)特征，實(shí)現(xiàn)基于特征的曲面模型重建15；提出了基于面域理解的多面體三維重建，該算法適用于平面多面體，通過面域作為中介，容易實(shí)現(xiàn)與模型引導(dǎo)方法的融合，從而擴(kuò)展到二次曲面體的重建16；提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行曲面重構(gòu)17；針對(duì)有序離散點(diǎn)，提出了二次反算的曲面重構(gòu)方法18；結(jié)合測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的異同，介紹了各種計(jì)算機(jī)建模技術(shù)，并且指出它們?cè)诠こ讨懈髯缘倪m用范圍19。面對(duì)國外先進(jìn)的逆向反求產(chǎn)品（包括設(shè)備和軟件系統(tǒng)），我國產(chǎn)品在功能和自動(dòng)化程度上還有相當(dāng)大的提升空間，在國家“創(chuàng)新，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)”等政策的支持下，考慮到

40、我國制造業(yè)市場(chǎng)的強(qiáng)大需求，鑒于價(jià)格和性能的權(quán)衡，反求工程在國內(nèi)是有較大的發(fā)展?jié)摿脱芯靠臻g的。實(shí)事求是地說，我們?cè)谙喈?dāng)長的時(shí)期里還不具備創(chuàng)新能力，在這個(gè)階段更多的是學(xué)習(xí)和模仿，積累自己的經(jīng)驗(yàn)，為今后的創(chuàng)新打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，通過反求工程，在消化、吸收先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立和掌握自己的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)，進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，即在copy的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而創(chuàng)新，這是提升我國制造業(yè)的必由之路。反求工程通過重構(gòu)產(chǎn)品零件的cad模型，可對(duì)原型進(jìn)行修改和再設(shè)計(jì)，這為產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了數(shù)字原型。因此，反求工程技術(shù)與 cad/cam 系統(tǒng)的結(jié)合對(duì)這些企業(yè)的應(yīng)用有重要意義。一方面各個(gè)制造企業(yè)非常歡迎

41、在企業(yè)推廣反求工程技術(shù)，但另一方面又苦于缺乏必要的指導(dǎo)和合適的軟件產(chǎn)品。這種情況嚴(yán)重制約了反求工程技術(shù)在制造行業(yè)的推廣。與 cad/cam 系統(tǒng)在我國幾十年的應(yīng)用時(shí)間相比，反求工程技術(shù)為工程技術(shù)人員所了解只有十幾年甚至幾年的時(shí)間。時(shí)間雖短，但反求工程技術(shù)廣泛的應(yīng)用前景已經(jīng)為大多數(shù)工程技術(shù)人員所關(guān)注，這對(duì)提高我國制造行業(yè)的整體技術(shù)含量，進(jìn)而提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力具有重要的推動(dòng)作用。反求工程技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到新產(chǎn)品的開發(fā)、舊零件的還原以及產(chǎn)品的檢測(cè)中，它不僅消化和吸收實(shí)物原型，并且能修改再設(shè)計(jì)以制造出新的產(chǎn)品。但同時(shí)設(shè)計(jì)過程中系統(tǒng)集成化程度比較低，人工干預(yù)的比重大。將來有望形成集成化反求工程系統(tǒng)，以

42、軟件的智能化來代替人工干預(yù)的不足。應(yīng)該看到，反求工程有其獨(dú)特的共性技術(shù)和內(nèi)容，還是一門新興的交叉學(xué)科分支，正如高新技術(shù)層出不窮，解密技術(shù)亦要相應(yīng)發(fā)展。在工程專業(yè)領(lǐng)域，需有設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、使用、維修、檢測(cè)等方面知識(shí)；在現(xiàn)代設(shè)計(jì)法領(lǐng)域，應(yīng)有系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化、有限元、價(jià)值工程、可靠性、工業(yè)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新技法等知識(shí)；在計(jì)算機(jī)方面，需有硬件和軟件的基本知識(shí)；等等。總之，現(xiàn)行產(chǎn)品中的各種復(fù)雜、高新技術(shù)，在反求工程中都會(huì)遇到如何消化吸收問題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，特別是數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于測(cè)量數(shù)據(jù)的產(chǎn)品造型技術(shù)成為反求工程技術(shù)關(guān)注的主要對(duì)像。一個(gè)設(shè)計(jì)師創(chuàng)造性思維的活躍程度決定著產(chǎn)品的最終

43、設(shè)計(jì)的好壞與成敗。一般來說，當(dāng)然希望設(shè)計(jì)師的思維越活躍、思維方式越獨(dú)特越好，只有出眾的設(shè)計(jì)思維才能獲得優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案。但對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)來說，以往很多的優(yōu)秀方案并不一定切實(shí)可行。其原因是多方面的，其中一個(gè)比較重要的可能就是因?yàn)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的曲面過于豐富、造型過于復(fù)雜而無法用計(jì)算機(jī)建立三維cad模型，并迫使設(shè)計(jì)師放棄最優(yōu)方案。然而，隨著反求工程技術(shù)的誕生，只要是好的設(shè)計(jì)方案，即使曲面再復(fù)雜，造型再豐富，都可以通過先做實(shí)物輪廓，然后用三維掃描儀掃描的方式來自動(dòng)生成三維cad模型。也就是說，反求工程技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用可以完全消除設(shè)計(jì)師的后顧之憂，大大解放了產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的自由度，拓展了設(shè)計(jì)師的思維。201

44、.3 課題的意義由于我國船舶柴油機(jī)與國外先進(jìn)水平存在很大差距，要大力發(fā)展我國造船工業(yè)，實(shí)現(xiàn)世界第一造船大國的目標(biāo)，我國船舶柴油機(jī)必須堅(jiān)持走“引進(jìn)消化吸收創(chuàng)新”的國產(chǎn)化技術(shù)創(chuàng)新之路，加快船舶配套動(dòng)力的發(fā)展。目前，我國船舶柴油機(jī)工業(yè)已經(jīng)具備跨越式發(fā)展的基礎(chǔ)，但我國船舶設(shè)備制造水平與國外還有相當(dāng)差距，單純引進(jìn)設(shè)備零件而不注意引進(jìn)技術(shù)，對(duì)我國機(jī)械行業(yè)的技術(shù)提升是相當(dāng)不利的。因此，不僅要積極從國外引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)和裝備，而且還要能夠善于對(duì)引進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行深人研究，探索引進(jìn)產(chǎn)品中的關(guān)鍵技術(shù)并進(jìn)行消化吸收和改進(jìn)創(chuàng)新。而反求工程恰恰可以為此提供良好途徑?；谂艢忾y在低速柴油機(jī)上的重要地位以及其所處的工作條件來看，

45、其設(shè)計(jì)原理與制造工藝都非常復(fù)雜，加工精度和定位精度都很高，尤其是在材料的選擇上，更是特殊。所以，本課題擬對(duì)目前在低速船用柴油機(jī)上應(yīng)用的man b&w專利下的排氣閥進(jìn)行逆向研究，對(duì)其設(shè)計(jì)原理和相關(guān)部件的特性進(jìn)行系統(tǒng)分析，通過消化吸收，突破關(guān)鍵技術(shù)，提高生產(chǎn)能力，開發(fā)研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。低速柴油機(jī)制造作為船舶制造的配套產(chǎn)業(yè)，在遼寧老工業(yè)基地的建設(shè)與發(fā)展中起到了至關(guān)重要的地位。如果此排氣閥反求設(shè)計(jì)能夠國產(chǎn)化，不但會(huì)給船舶行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且還會(huì)對(duì)遼寧的大多數(shù)支柱產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的社會(huì)效益。爭取將其設(shè)計(jì)原理及關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于自主開發(fā)新產(chǎn)品中，其意義不僅僅在于不用再花大量資金去直接購買和引用國

46、外產(chǎn)品及技術(shù)，而且通過反求研究其設(shè)計(jì)原理及技術(shù)參數(shù)，借鑒其優(yōu)勢(shì)來攻破我國自主研發(fā)新產(chǎn)品過程中的瓶頸及難點(diǎn)技術(shù)問題，使研制及生產(chǎn)技術(shù)水平得到迅速提高，提高效率，節(jié)約資金及縮短新產(chǎn)品研制周期。總之，反求技術(shù)為快速設(shè)計(jì)與制造提供了很好的技術(shù)支持，它已經(jīng)成為制造業(yè)信息傳遞重要而簡潔的途徑之一。本章小結(jié)本章研究討論了國內(nèi)外低速船用柴油機(jī)排氣閥制造技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀；討論了反求工程的含義，研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，把反求工程技術(shù)引入到了排氣閥閥桿和轉(zhuǎn)翼的國產(chǎn)化設(shè)計(jì)中，并針對(duì)國內(nèi)外船用低速柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，論述了開展排氣閥排氣技術(shù)專題研究的重要性，提出了排氣閥閥桿和轉(zhuǎn)翼國產(chǎn)化的重要意義。第二章 零件數(shù)據(jù)獲取

47、數(shù)字化技術(shù)研究反求工程中，數(shù)據(jù)采集是關(guān)鍵的一步，只有獲得測(cè)量數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行下一步的逆向工作，如復(fù)雜曲面的建模、誤差分析、制造等等。因而，如何高效、高精度地對(duì)樣件表面數(shù)據(jù)加以采集，一直是反求工程的主要研究內(nèi)容之一。就測(cè)頭結(jié)構(gòu)原理來說，可分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式采用測(cè)頭與被測(cè)物體直接接觸來獲取數(shù)據(jù)信息，該方法穩(wěn)定，但測(cè)量速度慢，容易劃傷物體表面。非接觸式是應(yīng)用光學(xué)及激光的原理進(jìn)行測(cè)量的，該方法采集速度快，精度高，獲得的密集點(diǎn)云信息量大，可以最大限度的反映被測(cè)表面的真實(shí)形狀。獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量好壞將直接影響后續(xù)模型重建能否順利進(jìn)行，以及最終設(shè)計(jì)結(jié)果的質(zhì)量能否滿足技術(shù)要求。由此可見，數(shù)據(jù)獲取是反求

48、工程的首要前提，是重構(gòu)模型的重要保障。2.1 樣件分析模型表面的數(shù)據(jù)測(cè)量是反求工程技術(shù)的重要組成部分，是整個(gè)反求工程的基礎(chǔ)。測(cè)量的精度與速度，將制約著整個(gè)工程的質(zhì)量21。理清每個(gè)零件的組成部分、特征以及它們之間的相互關(guān)系。全面理解和掌握零件的設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)方法以及功能和應(yīng)用等，以達(dá)到根據(jù)特征的主次關(guān)系，遵循一定的順序進(jìn)行全面采集的目的。因此, 要對(duì)一個(gè)實(shí)物模型進(jìn)行曲面反求，首先要獲取模型曲面的三維數(shù)據(jù)信息，即模型表面的數(shù)字化，然后通過相應(yīng)的曲面造型技術(shù)及軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，最終獲取反求曲面。最終才能實(shí)現(xiàn)自由曲面的重構(gòu)與制造。圖2.1為零件排氣閥桿與轉(zhuǎn)翼實(shí)物圖。 圖2.1 排氣閥桿與轉(zhuǎn)翼實(shí)圖

49、fig2.1 the outline sketch image of exhaust valve bar and vane wheel 2.2 數(shù)據(jù)獲取方法概述隨著精密機(jī)械、電子技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，反求工程的實(shí)現(xiàn)手段正在由熟練的手工過程轉(zhuǎn)變到以計(jì)算機(jī)軟件和現(xiàn)代測(cè)量儀器為主的數(shù)字化自動(dòng)測(cè)量過程。測(cè)量方法的好壞直接影響對(duì)被測(cè)實(shí)體描述的精確、完整程度，影響數(shù)字化實(shí)體幾何信息的速度，進(jìn)而影響重構(gòu)的cad曲面、實(shí)體模型的質(zhì)量，最終影響整個(gè)反求工程的進(jìn)度和質(zhì)量，是整個(gè)工程的基礎(chǔ)。所以，數(shù)字化測(cè)量方法的選擇和研究對(duì)反求工程至關(guān)重要。數(shù)據(jù)測(cè)量，又稱產(chǎn)品表面數(shù)字化，是指通過特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法，將物

50、體表面形狀轉(zhuǎn)換成離散的幾何點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，就可以進(jìn)行復(fù)雜曲面的建模、評(píng)價(jià)、改進(jìn)和制造22。在現(xiàn)階段的測(cè)量技術(shù)中，獲取零件表面三維信息的基本方法根據(jù)測(cè)量探頭和表面是否接觸分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式測(cè)量包括基于力變形原理的觸發(fā)式和連續(xù)掃描式數(shù)據(jù)采集；非接觸式測(cè)量根據(jù)測(cè)量原理的不同大致可分為光學(xué)測(cè)量、超聲波測(cè)量、電磁測(cè)量等。其中光學(xué)測(cè)量方法在反求工程中最為常用較為成熟，光學(xué)測(cè)量方法包括激光三角測(cè)量法、激光測(cè)距法、光干涉法、結(jié)構(gòu)光學(xué)法、圖像分析法23。圖2.2為表面數(shù)字化方法的分類。曲面數(shù)字化方 法接觸式掃描式觸發(fā)式非接觸式光學(xué)式逐層掃描式三維模型法二維分析法立體視覺法激光三角掃描法光

51、柵法摩爾條紋法紋理梯度法聚焦法ict掃描核磁共振自動(dòng)斷層掃描法圖2.2 表面數(shù)字化方法fig.2.2 the digitalization methods of curved surface2.2.1接觸式數(shù)據(jù)采集法接觸式數(shù)據(jù)采集法包括使用基于力觸發(fā)原理的觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集和連續(xù)掃描數(shù)據(jù)采集、磁場(chǎng)法、超聲波法等。接觸式測(cè)量中，應(yīng)用最廣泛的是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其測(cè)量傳感器的主要形式為各種不同直徑和形狀的探針(接觸測(cè)頭)，當(dāng)探針沿被測(cè)物體表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，被測(cè)表面的反作用力使探針發(fā)生形變，這種形變觸發(fā)測(cè)量傳感器將測(cè)出的信號(hào)反饋給測(cè)量控制系統(tǒng)，經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)的處理得到所測(cè)點(diǎn)的二維坐標(biāo)。1）觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集法當(dāng)測(cè)頭

52、的探針接觸到的表面時(shí)，由于探針尖受力變形觸發(fā)采樣中的開關(guān)，這樣通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記下探針尖（測(cè)球中心點(diǎn)）的當(dāng)時(shí)坐標(biāo)，逐點(diǎn)移動(dòng)就能采集到樣件輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)。在觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集過程中，由于探針必須偏移一個(gè)固定數(shù)值才觸發(fā)開關(guān)，而且一旦接觸到樣件的表面后，探針需要法向退出以免過量而折斷，因此數(shù)據(jù)采集速度較低。2）連續(xù)式數(shù)據(jù)采集法連續(xù)式數(shù)據(jù)采集采用模擬量開關(guān)采樣頭，由于數(shù)據(jù)采集過程是連續(xù)進(jìn)行的，速度比點(diǎn)接觸觸發(fā)式采樣頭快許多倍，采樣精度也較高。此外，接觸力較小，允許用小直徑的探針去掃描具有細(xì)微部分或由較軟材料制作的模型。由于采樣速度快,連續(xù)式數(shù)據(jù)采集可以用來采集大規(guī)模的數(shù)據(jù)。3）磁場(chǎng)法該方法是將被測(cè)物體置于被

53、磁場(chǎng)包圍的工作臺(tái)上，手持觸針在物體表面上運(yùn)動(dòng)，通過觸針上的傳感器感知磁場(chǎng)的變化來檢測(cè)觸針位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣件表面的數(shù)字化，其優(yōu)點(diǎn)是不需要像坐標(biāo)測(cè)量機(jī)一類的設(shè)備，但不適宜于導(dǎo)磁的樣件。接觸式測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是不受被測(cè)物體表面的顏色和光照限制；可以對(duì)被測(cè)物體邊界精確測(cè)量；測(cè)量精度較高。但這種測(cè)量方法的缺點(diǎn)也比較明顯：(1)由于是以逐點(diǎn)方式測(cè)量，所以速度慢，效率低；(2)測(cè)頭與被測(cè)物體表面存在接觸力，因而該方法不能對(duì)軟質(zhì)材料和超薄物體進(jìn)行測(cè)量；(3)接觸測(cè)頭是感應(yīng)元件，測(cè)得的數(shù)據(jù)是測(cè)頭的球心位置，所以需進(jìn)行測(cè)頭半徑補(bǔ)償；(4)測(cè)量路徑需人工干預(yù)，目前還無法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測(cè)量；(5)測(cè)量系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)存在靜態(tài)及

54、動(dòng)態(tài)誤差，從而影響了測(cè)量的精度。2.2.2非接觸式數(shù)據(jù)采集方法近年來,以光學(xué)測(cè)量法為代表的非接觸式測(cè)量技術(shù)發(fā)展非常迅速,在3d激光掃描、相機(jī)自由拍攝、雙目立體測(cè)量等技術(shù)的研究和測(cè)量裝置的研制方面取得了重要成果。光學(xué)測(cè)量設(shè)備能快速采集大量數(shù)據(jù),尤其適合于具有復(fù)雜型面零件的測(cè)量,非接觸式數(shù)據(jù)采集方法論主要運(yùn)用光學(xué)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，它有激光三角形法、激光測(cè)距法(laser triangulation methods)、結(jié)構(gòu)光法（structured methods）以及圖像分析法(image analysis methods)等。（1）激光三角測(cè)距法 激光三角形法的基本原理是利用具有規(guī)則幾何形狀的激

55、光束（如點(diǎn)光源、線光源）沿樣品表面連續(xù)掃描被測(cè)表面，根據(jù)被測(cè)表面形成的漫反射光點(diǎn)（光帶）在物體上成像的偏移，按三角幾何原理測(cè)出被測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)24。激光三角形法是目前最成熟的，也是應(yīng)用最廣泛的一種方法25。它的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量速度快。而且激光三角法所采用的位移傳感器具有非接觸、體積小、重量輕、安裝方便等特點(diǎn)，可以作為掃描測(cè)頭安裝在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上。激光掃描不僅可以測(cè)量硬質(zhì)工件，而且可以測(cè)量柔軟樣件。激光三角形法存在的主要問題是對(duì)被測(cè)表面的粗糙度、漫反射率和傾角過于敏感，存在“陰影效應(yīng)”，限制了探頭的使用范圍；不能測(cè)量激光束照射不到的位置，對(duì)突變的臺(tái)階和深孔結(jié)構(gòu)易于產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失；掃描得到數(shù)據(jù)量較大，需經(jīng)

56、過專門的反求數(shù)據(jù)處理軟件建立曲面模型，而且曲面邊緣和結(jié)合部分需人工修理。原理如圖2.3所示圖2.3激光三角形法原理figure 2.3 the principle of laser triangulation method（2）激光測(cè)距法利用光束的飛行時(shí)間來測(cè)量被測(cè)點(diǎn)與參考平面的距離，主要有脈沖波、調(diào)幅連續(xù)波、調(diào)頻連續(xù)波等工作方式。由于激光的單向性好，多采用激光為能量源，這種方法的精度也較高。原理如圖2.4所示圖2.4 激光測(cè)距原理figure2.4 measurement principle of lsv（3）結(jié)構(gòu)光法將一定模式的光照射到被測(cè)樣件的表面，然后拍攝得反射光的圖像，通過對(duì)比不同模式之間的差別來獲取樣件表面的點(diǎn)蝗位置，典型的是“shadow moir”干涉條紋法。它的特點(diǎn)是不需要坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等精密的設(shè)備，造價(jià)比較低，但精度較低，操作復(fù)雜。（4）圖像分析法與結(jié)構(gòu)光方法的